Результаты получены в результате первого квантово-механического моделирования квазикристаллов - типа твердого тела, который, как когда-то думали ученые, не может существовать. В то время как атомы в квазикристаллах расположены в виде решетки, как в кристалле, структура атомов не повторяется, как в обычных кристаллах. Новый метод моделирования предполагает, что квазикристаллы, подобные кристаллам, являются фундаментально стабильными материалами, несмотря на их сходство с неупорядоченными твердыми телами, такими как стекло, которые образуются в результате быстрого нагрева и охлаждения.

"Нам нужно знать, как расположить атомы в определенные структуры, если мы хотим создавать материалы с желаемыми свойствами", - сказал Вэньхао Сун, доцент кафедры материаловедения и инженерии в начале карьеры в Dow и соответствующий автор статьи, опубликованной сегодня в Nature Physics. "Квазикристаллы заставили нас переосмыслить, как и почему могут образовываться определенные материалы. До нашего исследования ученым было неясно, почему они существуют".

Квазикристаллы, казалось, бросали вызов физике, когда они были впервые описаны израильским ученым Даниэлем Шехтманом в 1984 году. Экспериментируя со сплавами алюминия и марганца, Шехтман понял, что атомы некоторых металлов расположены в икосаэдрической структуре, напоминающей множество 20-гранных кубиков, соединенных гранями. Такая форма придавала материалу пятикратную симметрию - идентичную с пяти разных точек обзора.

Ученые в то время думали, что атомы внутри кристаллов могут располагаться только в последовательностях, повторяющихся в каждом направлении, но пятикратная симметрия исключала такие закономерности. Первоначально Шехтман подвергся пристальному изучению за предположение о невозможном, но позже другие лаборатории создали свои собственные квазикристаллы и обнаружили их в метеоритах возрастом в миллиарды лет.

В конечном итоге Шехтман получил Нобелевскую премию по химии в 2011 году за свое открытие, но ученые все еще не могли ответить на фундаментальные вопросы о том, как образуются квазикристаллы. Препятствием было то, что теория функционала плотности - квантово-механический метод расчета стабильности кристалла - опирается на паттерны, которые бесконечно повторяются в последовательности, чего нет в квазикристаллах.

"Первым шагом к пониманию материала является знание того, что делает его стабильным, но было трудно сказать, как стабилизировались квазикристаллы", - сказал Ухен Бэк, докторант Калифорнийского университета в области материаловедения и инженерии и первый автор исследования.

Атомы в любом данном материале обычно выстраиваются в кристаллы таким образом, чтобы химические связи достигали минимально возможной энергии. Ученые называют такие структуры энтальпийно-стабилизированными кристаллами. Но другие материалы образуются потому, что они обладают высокой энтропией, а это означает, что существует множество различных способов расположения или вибрации их атомов.

Стекло является одним из примеров твердого вещества, стабилизированного энтропией. Он образуется, когда расплавленный диоксид кремния быстро охлаждается, мгновенно замораживая атомы в бесформенную форму. Но если скорость охлаждения замедлится или к нагретому кремнезему добавят основу, атомы могут образовывать кристаллы кварца - предпочтительное, низкоэнергетическое состояние при комнатной температуре. Квазикристаллы представляют собой загадочное промежуточное звено между стеклом и хрусталем. Они имеют локально упорядоченное расположение атомов, как кристаллы, но, подобно стеклу, они не образуют протяженных повторяющихся узоров.

Чтобы определить, стабилизированы ли квазикристаллы по энтальпии или энтропии, метод исследователя извлекает наночастицы меньшего размера из более крупного имитируемого блока квазикристалла. Затем исследователи вычисляют общую энергию каждой наночастицы, что не требует бесконечной последовательности, поскольку частица имеет определенные границы.

Поскольку энергия в наночастице связана с ее объемом и площадью поверхности, повторение расчетов для наночастиц увеличивающихся размеров позволяет исследователям экстраполировать общую энергию внутри более крупного блока квазикристалла. С помощью этого метода исследователи обнаружили, что два хорошо изученных квазикристалла стабилизированы по энтальпии. Один представляет собой сплав скандия и цинка, другой - иттербия и кадмия.

Для наиболее точных оценок энергии квазикристаллов требуются частицы как можно большего размера, но масштабирование наночастиц затруднительно при использовании стандартных алгоритмов. Для наночастиц, содержащих всего сотни атомов, удвоение количества атомов увеличивает время вычислений в восемь раз. Но исследователи нашли решение и для узкого места в вычислительной технике.

"В обычных алгоритмах каждый компьютерный процессор должен взаимодействовать друг с другом, но наш алгоритм работает в 100 раз быстрее, потому что взаимодействуют только соседние процессоры, и мы эффективно используем графическое ускорение в суперкомпьютерах", - сказал соавтор исследования Викрам Гавини, профессор машиностроения и материаловедения Калифорнийского университета. и инженерное дело.

"Теперь мы можем моделировать стекло и аморфные материалы, границы раздела между различными кристаллами, а также дефекты кристаллов, которые могут позволить использовать биты квантовых вычислений".

Исследование финансируется Министерством энергетики США и опирается на вычислительные ресурсы, размещенные в Техасском университете, Национальной лаборатории Лоуренса Беркли и Национальной лаборатории Ок-Риджа.